LM331V/F轉換器在礦用溫度傳感器中的應用

賈永康

（淮南市計量測試研究所，安徽 淮南 232007）

1 礦用溫度傳感器概述

ALS-1型礦用溫度傳感器為本質安全型（電氣設備的一種防爆型式，它將設備內部和暴露于潛在爆炸性環境的連接導線可能產生的電火花或熱效應能量限制在不能產生點燃的水平。）儀器，適用于煤礦井下具有煤塵、瓦斯爆炸危險場所，主要用于測量煤礦井下的環境溫度，以便及時發現火災隱患，也可以對電機、皮帶機、滾筒或其它部位進行超溫監測。該產品結構設計合理、檢測準確、性能穩定、安裝維護方便。

測溫敏感元件采用HP35H線性溫度傳感器，它是采用美國NS芯片設計的線性正溫度系數（簡稱PTC）溫度傳感器，其輸出電壓變化量與溫度成線性關系，并按+10mV/℃與攝氏溫度一一對應，可采用單電源工作，使用極為方便。

主要技術指標：

防爆型式：礦用本質安全型

工作電壓：12V.DC；

工作電流：小于20mA；

測溫范圍：20～100℃；

測量準確度：±1.0℃；

輸出信號：200—1000Hz頻率量。

輸出信號傳輸距離：2km

工作環境溫度：-10～40℃

工作環境濕度:：≤95﹪

外形尺寸：125×105×45mm

2 V/F轉換器LM331

LM331為單片機V/F轉換器，電源電壓范圍較寬 (4V～20V)；最大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性；變換準確度高，數字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉換準確度。

其引腳排列如圖1所示[1]。

各引腳設置如下：

（1）1腳：IO,電流輸出端。它是內部一個精密電流源的輸出端,該腳流出的電流為基本電路中的CL充電。

（2）2腳:IS，參考電流。該引腳由內部的一個電流泵提供50μA～500μA的電流,該端外接一個電阻RS到地,實際應用時取4kΩ～150kΩ 可調。

（3）3腳:fout，脈沖頻率輸出端。輸入電壓經過V/F轉換后矩形波由此輸出,其內部是一個晶體管的集電極,且為集開路輸出,因此外部必須接有上拉電阻到正電源。

（4）4腳:GND，接地端。

（5）5腳:R/C，外接定時電阻Rt和定時電容Ct，它們是內部單穩態定時電路的定時元件。

（6）6腳:UT，閾值電壓。該端是內部一個比較器的反相輸入端,該端電壓與7腳的輸入電壓Uin比較，并根據比較結果啟動內部的單穩態定時電路。

（7）7腳:Uin，被測電壓輸入端。

（8）8 腳:Ucc，電源正端(+5V～+15V)。

3 LM331在溫度傳感器中的應用

由HP35H與LM331組成的溫度傳感器原理圖如圖2所示[2]。IC1為線性正溫度系數的敏感元件，供電電壓為5V，在測溫范圍為0～+100℃時輸出電壓為 0～1V。現在通過LM331芯片將0～1V電壓量轉換為0～1000Hz頻率量。

LM331輸入電壓和輸出頻率的關系為[3]：fo=Vin×(R4+RW)/(2.09×R2×R3×C3)。由此知電阻R2、R3、R4、和C3直接影響轉換結果f0，因此對元件的準確度要有一定的要求，可根據轉換準確度適當選擇。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉換準確度。

4 應用LM331V/F優點

LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內和低到4.0V電源電壓下都有極高的準確度。LM331的動態范圍寬，可達100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性;變換準確度高，數字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉換準確度。

通過傳感器將被測量轉換為電壓，經運算放大器放大為0～10V電壓信號，由LM331進行V/F變換為脈沖信號，通過長雙絞線傳輸到測量室，在測量室內通過光電耦合器轉換為幅量室而造成的線路衰減或干擾，提高測量準確度。

當前，12位以上的A/D轉換器的價格仍較昂貴，用V/F變換器來代替A/D轉換器，在要求速度不太高的場合是一種較好的選擇。從傳感器來的毫伏級的電壓信號經低溫漂運算放大器INA101放大到0～10V后加到V/F變換器LM331的輸入端，從頻率輸出端f0輸出的頻率信號加到單片機8031的輸入端T1上。根據分辨率的要求利用軟件處理，最后得到A/D轉換的結果。

結語

通過試驗分析，應用LM331的A/D轉換電路，在運行中穩定性好，在實際應用中要通過調試選擇好器件參數，可以準確的實現A/D轉換，并且準確度高，抗干擾能力強，具有頻率量輸出的溫度傳感器很容易將溫度信號輸送給煤礦井下各種控制器。

[1]李建新，李聚春.由LM331構成單片機F/V精密數據采集電路 [J].湖北教育學院學報，2007，24(8):50-52.

[2]張富景，葉家瑋.F/V轉換器在船模試驗水池拖車控制系統中的應用[J].現代電子技術，2008，(7)：131-132.

[3]何獻忠，凌云.基于LM331和單片機的數據采集控制[J].機電產品開發與創新，2006，19(6)：146-147.